开关电源前端EMC概述课件

XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY1 欢欢 迎迎各位老师和同学参加本次学术交流报告各位老师和同学参加本次学术交流报告 西西 安安 科科 技技 大大 学学 刘树林研究团队刘树林研究团队XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY2开关电源前端开关电源前端EMC概述概述电力电子电路与拓扑电力电子电路与拓扑报告人：报告人：12345XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY3*绪论绪论EMC基础理论基础理论2基本电路及其典型应用基本电路及其典型应用4内容提要内容提要123总结总结XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY4序论序论电磁兼容是一门新兴的综合性学科。电磁兼容学科主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。电磁兼容概述电磁兼容概述1XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY5电磁兼容性电磁兼容性EMC（Electromagnetic Compatibility）设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致不允许的降级；也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁发射而导致不允许的降级。电磁干扰电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference)电磁骚扰导致电子设备相互影响，并引起不良后果的一种电磁现象。辐射发射辐射发射RE(Radiated Emission)通过空间传播的、无用的或不希望有的电磁能量。传导发射传导发射CE(Conducted Emission)沿电源或信号线传输的电磁发射。电磁敏感性电磁敏感性EMS（Electromagnetic Susceptibility)设备暴露在电磁环境下所呈现的不希望有的响应程度。即设备对周围电磁环境敏感程度的度量。电磁敏感意味着电磁环境已经造成设备性能的降低。辐射敏感度辐射敏感度RS（Radiated Susceptibility)对造成设备性能降级的辐射骚扰场的度量。传导敏感度传导敏感度CS（Conducted Susceptibility)当引起设备性能降级时，对从传导方式引入的骚扰信号电流或电压的度量1.电磁兼容常用名词术语电磁兼容常用名词术语XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY2.电磁干扰三要素电磁干扰三要素6（1）电磁骚扰源，指产生电磁骚扰的元件、器件、设备或自然现象；（2）耦合途径或称耦合通道，指把能量从骚扰源耦合到敏感设备上，并使该设备产生响应的媒介；（3）敏感设备，指对电磁骚扰产生响应的设备。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY7电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成电磁干扰的三要素进行的，即对电磁骚扰源、耦合通道和敏感设备的研究。骚扰源的研究包括其发生的机理、时域和频域的定量描述，以便从源端来抑制干扰的发射，通常采用滤波技术来限制骚扰源的频谱宽度和幅值。骚扰的耦合通道有二条：1，通过空间辐射；2，通过导线传导。辐射发射主要研究在远场条件下骚扰以电磁波的形式发射的规律以及在近场条件下的电磁耦合。通常采用屏蔽技术来阻断骚扰的辐射。传导发射讨论骚扰延导线传输的影响。通常传导发射通过公共地线、公共电源线和互连线而实现。电磁兼容的研究内容还包括电磁兼容控制技术、测量技术、分析预测等。3.电磁兼容研究的主要内容电磁兼容研究的主要内容XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY8最常用也是最基本的电磁兼容控制技术是屏蔽、滤波、接地。此外平衡技术、低电平技术等也是电磁兼容的重要控制技术。1.屏蔽屏蔽主要用于切断通过空间的静电耦合、感应耦合形成的电磁噪声传播途径，这三种耦合又对应于静电屏蔽、磁场屏蔽与电磁屏蔽，衡量屏蔽的质量采用屏蔽效能这一指标。2.滤波滤波在频域上处理电磁噪声的一种技术，其特点是将不需要的一部分频谱滤掉。3.接地接地提供有用信号或无用信号，电磁噪声的公共通路。接地的好坏则直接影响到设备内部和外部的电磁兼容性。4.基本的电磁兼容控制技术基本的电磁兼容控制技术XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY9*电磁兼容标准主要通过标准化组织来制订，国际上制定电磁兼容的主要标准化组织如下表所示。5.电磁兼容标准电磁兼容标准IEC(国际电工委员会)CENELEC(欧洲电工标准化委员会)由欧共体委员会授权制订欧洲标准XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY10*电磁兼容标准分为基础标准、通用标准、产品类标准和专用产品标准。基础标准基础标准：描述了EMC现象、规定了EMC测试方法、设备，定义了等级和性能判据。基础标准不涉及具体产品。产品类标准产品类标准：针对某种产品系列的EMC测试标准。往往引用基础标准，但根据产品的特殊性提出更详细的规定。通用标准通用标准：按照设备使用环境划分的，当产品没有特定的产品类标准可以遵循时，使用通用标准来进行EMC测试。对使设备的功能完全正常，也要满足这些标准的要求。6.电磁兼容标准分类电磁兼容标准分类XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY11*7.产品产品EMC设计的重要性设计的重要性产品的EMC性能好坏，还关系到产品的稳定性，影响客户满意度；主要表现在：（1）产品EMC设计考虑不周易引起内部串扰，影响产品稳定性；（2）抗外部干扰能力差，工作难稳定；（3）产生干扰会引起客户投诉。最后产品的EMC性能好坏还与产品的竞争力密切相关。相同的产品有还是没有通过CE认证在市场竞争中常常可以起到决定性的作用。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY12*2EMC基础理论基础理论电磁骚扰传播或耦合，通常分为两大类：即传导骚扰传播和辐射骚扰传播。通过导体传播的电磁骚扰，叫传导骚扰；通过空间传播的电磁骚扰，叫辐射骚扰。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY13共阻抗耦合共阻抗耦合由两个回路经公共阻抗耦合而产生，干扰量是电流i或变化的电流di/dt。容性耦合容性耦合在干扰源与干扰对称之间存在着分布电容而产生，干扰量是变化的电场，即变化的电压du/dt。感性耦合感性耦合在干扰源与干扰对称之间存在着互感而产生，干扰量是变化的磁场，即变化的电流di/dt。1.EMC的传导干扰的传导干扰XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY141.共阻抗耦合干扰抑制方法共阻抗耦合干扰抑制方法1）让两个电流回路或系统彼此无关。信号相互独立，避免电路的连接，以避免形成电路性耦合。2）限制耦合阻抗，使耦合阻抗愈低愈好，当耦合阻抗趋于零时，称为电路去耦。为使耦合阻抗小，必须使导线电阻和导线电感都尽可能小。3）电路去耦：即各个不同的电流回路之间仅在唯一的一点作电的连接，在这一点就不可能流过电路性干扰电流，于是达到电流回路间电路去耦的目的。4）隔离：电平相差悬殊的相关系统（比如信号传输设备和大功率电气设备之间），常采用隔离技术。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY152.容性耦合干扰抑制方法容性耦合干扰抑制方法为了抑制电容性干扰可以采取以下措施：1）干扰源系统的电气参数应使电压变化幅度和变化率尽可能地小；2）被干扰系统应尽可能设计成低阻；3）两个系统的耦合部分的布置应使耦合电容尽量小。例如电线、电缆系统，则应使其间距尽量大，导线短，避免平行走线；4）可对干扰源的干扰对象进行电气屏蔽，屏蔽的目的在于切断干扰源的导体表面和干扰对象的导体表面之间的电力线通路，使耦合电容变得最小；XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY163.感性耦合干扰抑制方法感性耦合干扰抑制方法1）干扰源系统的电气参数应使电流变化的幅度和速率尽量小；2）被干扰系统应该具有高阻抗；3）减少两个系统的互感，为此让导线尽量短，间距尽量大，避免平行走线，；4）对于干扰源或干扰对象设置磁屏蔽，以抑制干扰磁场。5）采用平衡措施，使干扰磁场以及耦合的干扰信号大部分相互抵消。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY172.EMC的辐射干扰的辐射干扰辐射干扰辐射干扰通过空间传输实质上是干扰源的电磁能量以场的形式向四周空间播。减小辐射干扰的措施主要有：减小辐射干扰的措施主要有：1）辐射屏蔽：）辐射屏蔽：在干扰源和干扰对象之间插入一金属屏蔽物，以阻挡干扰的传播。2）极化隔离：极化隔离：干扰源与干扰对象在布局上采取极化隔离措施。即一个为垂直极化时，另一个为水平极化，以减小其间的耦合。3）距离隔离：）距离隔离：拉开干扰源与被干扰对象之间的距离，这是由于志在近场区，场量强度与距离平方或立方成比例，当距离增大时，场衰减很快。4）吸收涂层法：）吸收涂层法：被干扰对象有时可涂复一层吸收电磁波的材料，以减小干扰。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY183.电磁干扰的模式电磁干扰的模式 差模干扰（差模干扰（Differential-mode）：两导线上的干扰电流，振幅相等，方向相反称为差模干扰。差模干扰：简单的说就线与线的干扰。如上图，Udm就是差模电压，Idm就是差模电流。Idm大小相等，方向相反。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY19差模电感的工作原理差模电感的工作原理XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY20差模电容的工作原理差模电容的工作原理XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY21共模干扰（共模干扰（Common-mode）：两导线上的干扰电流振幅相等，而方向相同者称为共模干扰。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY22*共模电感的工作原理共模电感的工作原理XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY23*共模电容的工作原理共模电容的工作原理XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY24EMI滤波前后的波形比较滤波前后的波形比较XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY25基本电路及典型应用基本电路及典型应用XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY26*通常有四种技术可进行电源滤波，以便抑制干扰噪声。在实际使用中，经常是混合使用其中的两种，甚至多种技术。它们是：正负极电源线之间添加电容，即X电容；每根电源线和地线之间添加电容，即Y电容；共模抑制（两根电源线上的抑制线圈同向绕线）；差模抑制（每根电源线有它自己的抑制线圈）。1.常用电源滤波器的类型常用电源滤波器的类型XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYXIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY282.安规电容安规电容 安安规电规电容容是指用于这样的场合，即电容器失效后，不会导致电击，不危及人身安全.它包括了X电容和Y电容。x电容容是跨接在电力线两线（L-N）之间的电容，一般选用金属薄膜电容；Y电容容是分别跨接在电力线两线和地之间（L-E，N-E）的电容，一般是成对出现。基于漏电流的限制，Y电容值不能太大，一般X电容是uF级，Y电容是nF级。X电容抑制差模干扰，Y电容抑制共模干扰XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY29*安规电容安全等级安规电容安全等级 X电容电容安全等级 峰值脉冲电压过电压等级（IEC664）X1 2.5kV4.0kV X2 2.5kV X3 1.2kV Y电容电容安全等级 绝缘类型 额定电压范围 Y1 双重绝缘或加强绝缘 250V Y2基本绝缘或附加绝缘 150V 250V Y3基本绝缘或附加绝缘150V 250V Y4基本绝缘或附加绝缘 150VXIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY30*3.电感电感电感量范围与额定电流的关系电感量范围与额定电流的关系XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY31*4.典型应用典型应用该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，参见表1。需要指出，当额定电流较大时。共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01F0.47F，主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF0.1F。为减小漏电流，电容量不得超过0.1F，并且电容器中点应与大地接通。C1C4的耐压值均为630VDC或250VACXIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY32计算计算EMI滤波器对地的漏电流滤波器对地的漏电流ILD=2fCVc（3）式中，ILD为漏电流，f是电网频率。以上图为例，f=50Hz，C=C3+C4=4400pF，Vc是C3、C4上的压降，亦即输出端的对地电压，可取Vc220V/2=110V。由（3）式不难算出，此时漏电流ILD=0.15mA。C3和C4若选4700pF，则C=4700pF2=9400pF，ILD=0.32mA。显然，漏电流与C成正比。对漏电流的要求是愈小愈好，这样安全性高，一般应为几百微安至几毫安。在电子医疗设备中对漏电流的要求更为严格。使用条件：使用条件包括两方面内容：可靠性和电磁兼容性。以前只注意可靠性，现在由于环境保护意识增强，必须注意电磁兼容性。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY33*图示出一种两级复合式EMI滤波器的内部电路，由于采用两级（亦称两节）滤波，因此滤除噪声的效果更佳。针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态群脉冲干扰的问题，国内外还开发出群脉冲滤波器（亦称群脉冲对抗器），能对上述干扰起到抑制作用。XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY34XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY35在开关电源中，主要的EMI骚扰源是功率半导体器件开关动作产生的dv/dt和di/dt，因而电磁发射EME（ElectromagneticEmission）通常是宽带的噪声信号，其频率范围从开关工作频率到几MHz。所以，传导型电磁环境（EME）的测量，正如很多国际和国家标准所规定，频率范围在0.1530MHz。设计EMI滤波器，就是要对开关频率及其高次谐波的噪声给予足够的衰减。基于上述标准，通常情况下只要考虑将频率高于150kHz的EME衰减至合理范围内即可。总结总结XIAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYThank you!